基于单片机的空气质量检测系统设计.docx

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基于单片机的空气质量检测系统设计

佳木斯大学毕业论文

基于单片机的空气质量检测系统

学院信息电子技术

专业通信工程

班级12级1班

学籍号

姓名

指导教师

佳木斯大学

2016年6月10日

摘要

随着工业发展，国民经济日益增长，人民生活指数也在不断提高。

但是给环境却带来不可逆的影响，因为空气质量的恶化，使人类引起一系列呼吸道病症，危害身心健康。

国家政府出台政策，一方面从源头控制污染源，一方面增加空气质量监控。

各大中城市也将PM2.5作为天气预报一项重要指标，时时提醒市民关注环境。

本设计就是基于51系列单片机的PM2.5监控预警系统，对环境里的PM2.5浓度进行实时监控，预警。

本设计以STC89C52单片机为控制核心，用夏普GP2Y1010AU0F传感器实时采集空气中粉尘情况，然后由ADC0832模数转化芯片，将从粉尘传感器采集到的模拟信号转化成数字信号，然后传给单片机进行精确换算，在LCD1602液晶屏显示当前空气粉尘浓度和显示预置报警阈值，按键可以设置系统粉尘报警阈值，蜂鸣器报警模块可在环境PM2.5浓度超过设置值时进行报警。

本系统电路稳定性高、抗干扰能力强，处理速度快，功耗低，操作简便，实时精准显示，实时反馈环境因素。

关键字：

PM2.5；单片机；粉尘浓度；GP2Y1010AU0F；报警

Abstract

Withtheindustrialdevelopmentofthenationaleconomygrowing,peoplelivingindexisalsorising.Buttheenvironmenthasbroughtirreversibleimpactbecauseofthedeteriorationinairquality,weatherhazephenomenonincreasedhazardphenomenonworse.Nationalgovernmentpolicies,ontheonehandtocontrolpollutionfromthesource,ontheonehandincreasetheairqualitymonitoring.PM2.5majorcitieswillalsobeanimportantindicatorastheweatherforecast,remindthepublicconcernfortheenvironment.Thisdesignisbasedonthe51computersPM2.5monitoringsystemontheenvironmentinthePM2.5concentrationtimemonitoring,earlywarning.

ThisdesignSTC89C52RCmicrocontrollertocontrolthecore,SharpGP2Y1010AU0Fsensortocollectdustintheairsituation,LCD1602displayshowsthecurrentairconcentrationofdustanddisplaythepresetalarmthresholdsize,thekeyscansetthesystemdustalarmthreshold,thebuzzeralarmmodulecanalarmwhentheambientPM2.5concentrationexceedsthesetvalue.Systemworks:

collectedbythesensorintheairPM2.5PM2.5concentration,andthenconvertedtoadigitalsignalthroughADC0832forSTC89C52RCmicrocontrollerreads,afterthesystemconversion,real-timedisplayofthecurrentPM2.5concentration,andthensetvalue,iflessthanthesetvalue,thesystemremains;ifitexceedsthesetvalue,thesystemwillalarmtoalertthePM2.5concentrationexceeded.Thesystemcircuitissimple,stable,highlyintegrated,easytodebug,highprecision,hassomepracticalvalue.

Keywords：

Alarm;Dustconcentration;GP2Y1010AU0F;PM2.5

第1章绪论

1.1课题研究背景

21世纪的今天，科学技术的发展日新月异，科学技术的进步的同时也带动了测量技术的发展，现代控制设备不同于以前，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术是当今社会的主流，广泛地深入到应用工程的各个领域。

因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。

中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。

统称为“雾霾天气”。

雾霾主要由PM2.5[1]、PM10、PM0.1以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成。

在空气动力学和环境气象学中，颗粒物是按直径大小来分类的，粒径小于100微米的称为TSP（TotalSuspendedParticle）[2]，即总悬浮物颗粒；粒径小于10微米的称为PM10（PM为ParticulateMatter缩写），即可吸入颗粒物；粒径小于2.5微米的称为PM2.5，即可入肺颗粒物，它的直径仅相当于人的头发丝粗细的1/20。

虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它与较粗的大气颗粒物相比，粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量影响更大。

世界卫生组织发布的报告显示，无论是发达国家还是发展中国家，目前大多数城市和农村人口均遭受到颗粒物对健康的影响。

因此，对PM2.5的监测与治理便显得越来越重要。

1.2课题研究的目的和意义

众所周知，在日益发展的21世纪，人们对于环境的要求越来越高。

不论在国内还是国外，都需要极佳的环境来提高生活指数。

比如在国内，导致环境因素急剧下降的有以下几点：

大气污染问题、水环境污染问题、垃圾处理问题、水土流失问题等严重问题。

但大气污染问题迫在眉睫，由于我国目前还处于粗放型经济模式，多地为了追求经济效益，不顾对环境造成的严重影响，直接往空气中排放，使得国内出现严重雾霭天气。

这不仅给人们带来心理上严重影响，而且对人体也带来严重的病痛影响。

在大气污染中，表现最为突出的而且被提上日程的就是PM2.5。

研究表明，PM2.5日平均浓度增加，会导致人类出现各种无法想象的严重后果。

首先，表现最明显就是医院的呼吸道门诊量增长迅速[3]，导致医疗资源跟不上增长速度，严重的还会引起纠纷。

其次，上班一族，会在长期的雾霭中工作，心理会由于过度的压抑，导致患上抑郁症等精神疾病，一系列不可控疾病随即而来，严重到可能导致社会动荡。

随着国内经济的迅猛发展，工业化[4]水平的越来越高，小康水平的基本普及，人们也日益追求高质量生活。

自然，对于环境的要求也是有着苛刻的要求。

在现今，人们使用的监控设备精度越来越高，空气里PM2.5浓度受到了实时关注,在各种严重后果面前，人们都希望有一个干净、舒适的环境供大家生存。

所以也都纷纷加入到保护环境的队伍中来，一方面发挥监督作用，从源头控制污染源，另一方面实时监控环境因素，做到合理安排日程。

同时也有更多的人加入到植物造林中来，亲自动手参与环境建设，美化环境。

创造出一个赖以生存的环境。

1.3课题的主要内容

本课题是基于单片机所设计的空气质量检测系统,由STC89C52单片机最小系统、GP2Y1010AU粉尘传感器、ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶模块、蜂鸣器报警模块和按键等模块组成，主要的设计内容如下：

（1）使用GP2Y1010AU传感器对粉尘颗粒的采集；

（2）使用ADC0832作为采集样品的模拟量转化为数据量；

（3）采用STC89C52单片机作为控制核心，计算其颗粒物浓度；

（4）LCD1602作为显示屏显示所有测量值。

通过按键设置报警值，作为检测量最高值，当测量值高于报警值，蜂鸣器报警。

第2章设计方案论证

2.1题目解析

本设计要求制作一个基于51系列单片机[5]的PM2.5实时监控系统，它由控制器模块、ADC0832模数转化模块、按键模块、蜂鸣器报警模块、LCD显示模块、PM2.5传感器模块电路等组成。

当传感器采集到空气中PM2.5浓度值后，然后经过ADC0832芯片，对GP2Y1010AU0F传感器获取到的模拟信号转化成数字信号，然后经过单片机系统运算处理，在液晶LCD1602显示屏上面显示出实时测量到的PM2.5的浓度值，根据题目的要求，确定系统框图如2-1所示。

图2-1系统组成基本框图

2.2方案论证与设计

2.2.1控制部分的方案选择

（1）采用凌阳16位单片机，内存大，处理速度快，编程容易，而且其自身自带音频处理系统，可以不使用外部器件就可以实现语音报时功能，在一定程度上可以说大大节约成本比较适合此类规模系统。

但是相对来说价格还是比较高，很多资源都被浪费掉了，不适合本设计，所以不采用该方案。

（2）用STC89C52单片机，虽然他没有凌阳16位单片机的功能强大，但是他可以满足该程序编程的需要以及各个功能部分也都可以实现，真正做到资源充分利用，而且在价格方面也比16位单片机的成本少好几倍，所以本设计选用该方案。

2.2.2显示部分的方案选择

（1）采用点阵式显示屏显示，点阵式显示屏是由八行八列的发光二极管组成，比较适合各种信息可以从左到右移动，也可以从右到左显示，给消费者一个真正的视觉冲击，但是对于这种显示方式似乎显得太浪费,对于单片机的扫描速度也是一个考验，且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。

（2）采用液晶屏显示方式显示。

液晶显示美观性强，一目了然，可以运用菜单项来方便操作,液晶显示屏的显示功能强大,显示的信息量大，清晰可见。

而且LCD1602价格低廉，控制程序简单，稳定性高，使用寿命长等有点。

所以，选择液晶屏显示方案。

2.2.3传感器模块的方案选择

（1）采用炜盛传感器，该传感器灵敏度高，但是体积大，不方便安装；电流大，不能使本设计做到低功耗。

该方案不适合采用本设计。

（2）采用夏普PM2.5传感器，该传感器使用方便，体积小，方便安装，正常使用时，电流小，可做到电流的低功耗，有利于信号的储量过程，能够实现空气的流通，且利于AD转换，所以本设计采用该方案。

2.2.4模数转化模块的方案选择

（1）采用ADC0809模数转化芯片，ADC0809是一款8位逐次逼近式A/D模数转换器。

他是通过地址锁存译码后的信号，选通ADC0809内部相对应的地址通道，然后进行A/D信号转换，其一个芯焊接的脚位过多，占用的单片机IO口过多，而且目前仅在单片机初学应用设计中较片就可以有8个通道，功能非常强大，但是本设计只需要一个通道即可，再加上其需要为常见，而且价格也比较昂贵，不适合大规模应用。

（2）采用ADC0832模数转化芯片，ADC0832是一款双通道8位分辨率A/D转换芯片。

其封装为DIP-8或者SOC-8，方便焊接，调试。

同时，其和单片机接口只有四条线，大大减少单片机的IO口损耗。

同时由于其性价比高，广受消费者追捧。

通过学习ADC0832我们就可以理解A/D转化芯片的工作原理。

同时ADC0832模数转化芯片在本设计中，完全满足各种性能，自然优先考虑ADC0832模数转化芯片，所以本设计采用该方案。

2.3系统方案论证

综上各方案所述,对此次设计的方案选定为：

采用STC89C52RC作为主控制系统；以夏普GP2Y1010AU0F为核心传感器；以ADC0832作为系统模数转化模块；采用LCD1602作为系统的显示电路；采用蜂鸣器电路作为报警电路等，以完成PM2.5监控系统的设计。

第3章硬件电路设计

3.1单片机最小系统

STC89C52RC[6]为宏晶推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机。

单片机为DIP-40直插芯片,有四组I/O口P0,P1,P2,P3，每一条I/O线都能独立地作输出或输入，单片机引脚图如3-1所示。

图3-1单片机引脚图

该增强型8051单片机具有可任意选择的6时钟/机器周期和12时钟/两种机器周期，因为其内核依旧是51系列内核所以指令代码完全兼容传统8051系列.工作电压为5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机），工作频率正常范围0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz，用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM，通用I/O口32个，复位后为P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片，具有EEPROM功能，具有看门狗功能，共3个16位定时器/计数器。

定时器T0、T1、T2，外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒，通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART，工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级），PDIP封装。

STC89C52RC单片机的省电工作模式有几种。

掉电模式：

典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。

空闲模式：

典型功耗2mA正常工作模式：

典型功耗4Ma～7mA掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。

单片机的最小系统[7]就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机、时钟电路、复位电路、输入、输出设备等,在单片机中复位电路是必须存在的电路，就像我们开启一台电脑一样，需要打开开机键。

在单片机系统中,复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位，与复位电路同样至关重要的就是时钟电路，时钟电路就像是整个机器的心脏一样，控制着单片机的节奏。

单片机最小系统框图如3-2所示。

图3-2单片机最小系统

（1）时钟电路

时钟电路分为内部时钟方式和外部时钟方式[8]。

外部时钟电路使用现成的外部振荡器产生脉冲信号，用于多片单片机同时工作以便于它们之间的同步。

所以这个设计采用内部时钟方式的电路，单片机内部有一个用于构成振荡器的反相放大器，输入端引脚为XTAL1，输出端为XTAL2。

两引脚接一个石英晶体和两个电容，每个电容的另一端再接到地构成一个稳定的自己振荡器。

电容C1、C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性，晶体振荡频率的范围通常是在1.2到12MHz，频率越高，系统的时针频率越高，单片机的运行速度也就越快。

因为CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期，一个机器周期包括12个时钟周期，所以选12MHz方便计算初值。

单片机的内部电路正是在时钟电路的控制下，严格地按时序指令进行工作。

（2）复位电路

复位电路有上电自动复位和按键复位两种方式[9]。

按键手动电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通来实现。

这个设计使用按键电平复位电路，当按键时电容器被短路放电，+5V直接加到RST上面达到高电平，进行复位。

按键松开后电源开始对电容器充电，此时充电电流在电阻上，形成高电平送到RST，仍然是“复位状态”；稍后充电结束，电流降为0，电阻上的电压也将为0，RST降为低电平，开始正常工作。

单片机的复位电路和时钟电路电路图分别如3-3和3-4所示。

图3-3时钟电路图图3-4复位电路图

3.2ADC0832模数转化模块

ADC0832是8位分辨率A/D模数转换芯片[10]，其最高分辨高达256级；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在0-5V之间；一般功耗仅为15mW；其封装为DIP-8或者SOC-8，方便焊接，调试。

商用级芯片温度范围为0°C--+70°C，工业级芯片温度范围为−40°C--+85°C，可以适应大部分场合的模数转换要求。

同时，其和单片机接口只有四条线，大大减少单片机的IO口损耗。

通过学习ADC0832，我们就可以理解A/D转化芯片的工作原理，可以帮助我们深入学习单片机其他相关知识，其电路设计图如图3-5所示。

图3-5A/D电路设计图

芯片接口说明：

CS_：

片选使能，低电平芯片使能。

CH0：

模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1：

模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

GND：

芯片参考0电位（地）。

DI：

数据信号输入，选择通道控制。

DO：

数据信号输出，转换数据输出。

CLK：

芯片时钟输入。

Vcc/REF：

电源输入及参考电压输入（复用）。

3.3液晶屏显示模块

LCD显示器[11]分为字段显示和字符显示两种。

其字段显示和数码管显示原理类型，还是通过取模，然后单片机向LCD发送数组，方可实现显示要求，这个就无法真正体现出LCD液晶屏的优势点。

所以在本设计中，采用自带字库的LCD显示模式，与传统的LED数码管显示器件相比，控制程序方便，显示内容切换方便，而且不需要外加驱动电路。

同时LCD1602显示内容功能也非常强大，每行可以同时显示16个汉字，一共可显示2行，其电路设计如3-6所示。

图3-6LCD管脚图

LCD1602主要技术参数：

显示容量为16×2个字符；

芯片工作电压为4.5～5.5V；

工作电流为2.0mA（5.0V）；

模块最佳工作电压为5.0V；

字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。

LCD1602采用标准的14脚接口，其中:

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15～16脚：

空脚

3.4夏普PM2.5传感器

灰尘传感器GP2Y1010AU是由日本夏普公司生产的，可以测试环境中的PM2.5值，其模块体积小，方便安装，可以适用于各类空气净化器中，作为检测环境因素传感器[12]。

其灵敏度极高，可以用来测试直径在8um以上的烟尘、花粉、粉尘等微小颗粒。

造成空气雾霭等肉眼看不见的颗粒，该传感器都可以方便的测试到。

同时，其自带气流发生器，可以吸收外部空气，是自身达到一个清洁的效果，大大增加其使用寿命和灵敏度。

而且在其内部自带LED显示灯，减少外界干扰，大大增加灵敏度，准确想外界传递实时空气质量。

夏普灰尘传感器外形图如图3-7所示。

图3-7夏普灰尘传感器GP2Y1010AU0F

应用领域：

（1）空气净化器和空气清新机；

（2）空调；

（3）空气质量监控仪；

（4）空调等相关产品。

主要参数：

灵敏度：

0.5V/（0.1mg/m3）；输出电压：

0.9V（TYP）；消耗电流：

11mA；

工作温度：

-10~65℃；存储温度：

-20~80℃。

粉尘器内部电路图如图3-8所示。

图3-8粉尘器内部电路图

根据粉尘传感器GP2Y1010AU的规划书中对管脚的描述，对应的管脚如图3-9所示。

图3-9粉尘传感器管脚图

故粉尘传感器的电路设计如图3-10所示。

图3-10粉尘传感器的电路设计图

粉尘传感器GP2Y1010AU通过对空气粉尘颗粒浓度进行检测测算，然后输出模拟电压。

故在仿真原理图中，我们用滑动变阻器来模拟粉尘传感器发回的模拟信号（电压值）。

ADC0832电路设计仿真图如图3-11所示。

.

图3-11ADC0832电路设计图

3.5蜂鸣器

本设计中采用有源蜂鸣器，相对无源蜂鸣器而言，控制方式简单，无源蜂鸣器需要一个交变的信号去驱动，实现内部磁场变化。

而有源蜂鸣器只需要在蜂鸣器上加直流，就可以驱动蜂鸣器正常工作。

而且2者在价格上相差无几，所以会优先选择有源蜂鸣器。

有源蜂鸣器对电压的适应范围广，寿命长，可以用个调整有源蜂鸣器的电压值，来控制蜂鸣器的声音响度，所以设计起来很方便。

本设计的报警电路的控制输出使用了单片机的P1.7口，设计图如图3-12所示。

图3-12报警电路图

3.6按键电路

本次设计的按键电路使用了单片机的P1.3，P1.4，P1.5三个口。

设计图如图3-13所示。

图3-13按键电路图

3.7污染级别提醒电路和程序下载电路

根据不同的浓度范围提醒当前污染级别的电路，采用了蓝、绿，黄，红四个LED灯，使用了单片机的P3.0，P3.1，P3.2，P3.4口来实现提醒功能，污染级别显示电路以及单片机的程序下载电路设计图分别如图3-14和3-15所示。

图3-14级别显示电路图3-15程序下载电路图

3.8总体原理图

本设计包括信号采集模块、信号处理模块、显示模块、报警模块和按键设置模块组成，以此来完成信号的采集、处理、传输、报警等功能。

图3-16系统原理图

当PM2.5传感器采集到空气中PM2.5浓度值后，通过5号引脚将输出的模拟量经过ADC0832模数转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机13号引脚，然后单片机对此信号进行运算处理，单片机P2口与LCD显示屏相连并在液晶LCD1602显示器上面显示计算出实时测量到的PM2.5的浓度值，然后通过与SCT89C52单片机8号引脚相连的蜂蜜报警器进行设定值进行比较，通信部分采用ISP程序下载器与单片机10.11号引脚相连来实现单片机与上位机之间的数据交换。

如果小于设定值，系统保持；如果超过设定值，系统将报警，提醒PM2.5浓度超标。

当蓝色灯亮时表示空气质量优，当绿色灯亮时表示空气质量良好，当黄色灯亮时表示空气质量中等，当红色灯亮时表示空气质量差。

第4章软件部分设计

4.1系统流程设计

软件主程序部分主要是ADC模数转化，获取PM2.5粉尘传感器发回来的数据，然后经过数据转化处理后，放入数组里面。

然后再和预设值对比，如果实际值大于预设值，那么就会驱动声报警电路。

当然，预设值大小可以根据需要进行修改。

而且，在正常仿真过程中，会实时显示环境中PM2.5实时浓度，系统流程图如图4